史康婕，周懷平，解文艷，楊振興，程 曼

（1.山西大學生物工程學院，山西太原030006；2.山西省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)環(huán)境與資源研究所，山西太原030031）

秸稈還田下褐土易氧化有機碳及有機碳庫的變化特征

史康婕1，周懷平2，解文艷2，楊振興2，程 曼2

（1.山西大學生物工程學院，山西太原030006；2.山西省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)環(huán)境與資源研究所，山西太原030031）

研究長期秸稈還田對褐土土壤有機碳（TOC）含量、有機碳儲量（TOCs）與固碳速率（DTOC）、易氧化有機碳（ROOC）含量和碳庫管理指數(shù)（CPMI）的影響，為評價土壤質(zhì)量、固碳減排、培肥土壤提供理論依據(jù)。基于北方旱地連續(xù)24 a不同秸稈還田方式下春玉米長期定位試驗，選擇4個處理（秸稈不還田（CK）、長期秸稈覆蓋還田（SM）、秸稈粉碎還田（SC）和秸稈過腹還田（CM））進行分析，通過測定土壤TOC與ROOC含量來確定碳庫變化特征。結(jié)果表明，秸稈還田處理對0～20 cm土層TOC含量與ROOC含量影響顯著，且先降低然后向一個新的平衡移動；CM處理對TOCs的維持最有利，SM，SC處理也對TOCs有顯著的積極影響；DTOC表現(xiàn)為凈釋放，但CK處理的有機碳釋放速率為秸稈處理的180.99%～135.57%；CM處理的CPMI值顯著高于其他處理，且比CK高62.33%；碳庫管理指數(shù)與易氧化有機碳含量呈顯著正相關(guān)。可見，秸稈還田處理可極顯著影響土壤有機碳固存，減少有機碳的釋放，使土壤性質(zhì)向良性發(fā)展，有利于培肥土壤、保護環(huán)境。

秸稈還田；有機碳儲量；碳庫管理指數(shù)；固碳速率；土壤有機碳；易氧化有機碳

土壤有機碳是土壤的重要組成部分，與土壤結(jié)構(gòu)、土壤肥力、作物產(chǎn)量密切相關(guān)[1]。有機碳儲量和固碳速率是反映土壤養(yǎng)分與有機碳固存的重要指標。土壤有機碳儲量的形成是不同碳組分周轉(zhuǎn)平衡的結(jié)果，固碳速率可以反映土壤有機碳的固定與釋放速率。但是土壤有機碳是容量指標，只能反映有機碳礦化和合成的最終結(jié)果，不足以全面地反映土壤質(zhì)量的內(nèi)在變化[2]。土壤有機碳的短暫波動主要發(fā)生在易氧化的部分，即易氧化有機碳能被333mmol/L的KMnO4所氧化的有機碳部分。易氧化有機碳周轉(zhuǎn)時間短，與土壤養(yǎng)分的供應、土壤微生物活動和作物生長密切相關(guān)，是植物營養(yǎng)素的主要來源，可以用來指示土壤有機質(zhì)的早期變化[3-4]。然而，土壤有機碳中的活性組分與非活性組分的變化規(guī)律不盡相同，所以根據(jù)土壤活性有機碳和總有機碳計算出的碳庫管理指數(shù)（CPMI）被用來評價土壤的質(zhì)量和管理措施，它結(jié)合了人為影響下的土壤碳庫指標和碳庫活度2個方面的內(nèi)容，能夠較全面和動態(tài)地反映外界條件對土壤有機碳的影響[5]。

秸稈用則利，棄則害。秸稈的合理利用不僅緩解了溫室效應，而且將秸稈還田能夠改善土壤肥力、保持水土、維持作物可持續(xù)生長。作物秸稈是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中必不可少的副產(chǎn)品，含有豐富的氮磷鉀、中微量元素和有機質(zhì)，是重要的有機肥來源之一[6]。山西省農(nóng)作物秸稈資源豐富，1949—2013年秸稈總產(chǎn)量由357.53萬t提高到了1 771.9萬t，但利用水平還比較低，用作肥料的僅為35%左右[7-8]。

本試驗依托于24 a的長期秸稈還田定位試驗，研究秸稈還田下褐土土壤有機碳庫及易氧化有機碳的變化特征，旨在為旱地秸稈有效利用、土壤培肥和減少溫室氣體排放等提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

秸稈還田長期定位試驗在山西省壽陽縣宗艾村北坪（N37°58′，E113°06′）旱塬地上進行，試驗地海拔1130 m，試驗地塊基本平坦，土層深厚，地下水埋深在地表50 m以下。供試土壤為褐土。1992年秋后耕層土壤（0～20 cm）有機質(zhì)含量23.5 g/kg，全氮1.07 g/kg，硝態(tài)氮21.17 mg/kg，有效磷（P）4.97 mg/kg，速效鉀（K）117.2 mg/kg，土壤pH值8.4。

1.2 試驗材料

供試作物為春玉米，1993—1997年所用品種為煙單14號，1998—2003年為晉單34號，2004—2011年為強盛31號，2011年以后為晉單81號。

1.3 試驗設計

試驗于1992年秋開始，截至2015年歷時24 a，共10個處理。本試驗選取其中4個處理：CK，SM，SC，CM，試驗小區(qū)面積54 m2，不設重復（表1）。采用秋季不同秸稈還田的方式，結(jié)合秋季深耕措施，化肥通過條施或全部耕層深施施入土壤，施肥深度為10～30 cm，秸稈還田量根據(jù)試驗開始時的生產(chǎn)水平確定，生育期不再追肥，詳見周懷平等[9]關(guān)于長期秸稈還田的研究。試驗所用氮肥為尿素（含N 46%）、磷肥為普通的磷酸鈣（含P2O514%）；牛糞（風干）有機質(zhì)含量90.5～127.3 g/kg，全氮3.93～4.97 g/kg，全磷（P2O5）1.37～1.46 g/kg，全鉀（K2O）14.1～34.3 g/kg。玉米秸稈（風干）有機碳含量38.1%～44.3%，全氮7.39～9.79 g/kg，全磷0.44～0.54 g/kg，全鉀17.1～27.5 g/kg。

每年播種時間為4月15—25日，收獲時間為9月20日至10月10日，種植密度為4.95萬～5.25萬株/hm2，結(jié)合秋季深耕施肥，玉米生長期不再進行追肥，田間管理措施主要是除草防治病蟲害。試驗從1992年到2015年已連續(xù)24 a，農(nóng)田栽培管理措施相同。

表1 不同秸稈還田方式長期定位試驗

1.4 測定項目及方法

1992年測定基礎(chǔ)土樣；1996，2001，2006，2012，2015年測定土樣中土壤有機碳及易氧化碳。

試驗點每年秋季作物收獲后，用土鉆采集0～20，20～40，40～60 cm土層土壤樣品，每個處理隨機取6～10個點，混合制樣（因本試驗各處理無重復，故采樣時人為設置3個重復），所采土樣風干后取100 g過0.25 mm篩，測TOC，取50 g過0.149 mm篩，測ROOC。

土壤TOC含量采用重鉻酸鉀-外加熱法測定[8]，ROOC含量采用333 mmol/lL高錳酸鉀氧化法測定[10]。

式中，TOCs為某一深度的土壤有機碳儲量（t/hm2）；Ci為第i層土壤的TOC含量（g/kg）；pi為第i層土壤容重（g/cm3）；Ti為第i層土壤厚度（cm）；n為土層數(shù)。

式中，DTOCm為第m層的固碳速率，TOCsm為第m層的有機碳儲量，n表示施肥處理經(jīng)歷的年限（本試驗為24 a）。

碳庫管理指數(shù)（CPMI）是指碳庫指數(shù)與活度指數(shù)的乘積的100倍，其中，碳庫指數(shù)（CPI）為樣品中TOC含量與參考土樣TOC含量的比值，活度指數(shù)（AI）為樣本碳庫活度與參考土樣碳庫活度比值，碳庫活度（A）為ROOC與（TOC-ROOC）的比值。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2010進行數(shù)據(jù)分析與作圖，采用SPSS17.0統(tǒng)計軟件進行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 長期秸稈還田對土壤有機碳含量及有機碳儲量的影響

2.1.1 長期秸稈還田對土壤有機碳（TOC）含量的影響 在24 a的定位試驗中，秸稈不同還田方式TOC含量先降低后緩緩升高且趨于一個相對穩(wěn)定的水平，但仍需繼續(xù)試驗才能確定該趨勢。由圖1可知，到2015年，CM，SC，SM處理的TOC含量比試驗前降低了15.08%～20.23%，而CK降低了32.44%；每一階段，CM處理TOC含量波動較為平緩，土壤性質(zhì)相對穩(wěn)定，比初始水平下降了6.49%～15.08%；SM在第1階段（1996年）下降較多后變化相對較小，對于TOC含量的保持有顯著影響，尤其在其他處理均急劇降低時，SM處理降低較少，總降低量為7.44%～18.03%；SC變化幅度最大，土壤性質(zhì)相對易受影響，降低量為8.84%～24.49%；CK處理TOC含量則是在降低過程中不斷向一個新的平衡態(tài)移動?？傮w上，秸稈還田處理TOC含量的降低量（1.02～3.85 g/kg）均小于CK（2.37～5.10 g/kg）。

圖2為2015年TOC含量的空間變化，TOC含量隨土層加深而減少，與前人研究結(jié)論相一致[11-13]。在0～20 cm，秸稈還田處理TOC含量極顯著高于對照組，CM與SM，SC與SM之間的差異并不顯著，與李新華等[14-15]的結(jié)論相一致；在20～40，40～60 cm沒有顯著差異，說明秸稈還田在本試驗中主要對0～20 cm土壤TOC含量有影響。

2.1.2 長期秸稈還田對土壤有機碳儲量（TOCs）的影響 由圖3可知，與試驗前對照CK0相比，各處理0～60 cm的TOCs差異達極顯著水平，雖然TOCs整體上在減少，但是，CM處理仍然顯著高于其他處理，不同秸稈處理對TOCs的影響大小為CM＞SC＞SM＞CK，說明從長期分析，秸稈過腹還田對土壤有機碳的積累固存最有效；秸稈不還田，有機碳虧損最多。

2.1.3 長期秸稈還田對土壤固碳速率（DTOC）的影響 土壤固碳速率為正值表示土壤有機碳為凈固定，為負值表現(xiàn)為凈釋放。從表2可以看出，秸稈還田處理在0～20 cm均表現(xiàn)為有機碳的凈釋放，固碳能力大小為CM＞SC＞SM＞CK，秸稈還田處理極顯著減緩了有機碳釋放速率。在0～20 cm，CK處理的有機碳釋放速率為秸稈處理的180.99%～135.57%；在20～40，40～60 cm，CM處理顯著減緩了有機碳的釋放。

表2 不同處理下土壤固碳速率（DTOC） kg/（hm2·a）

2.2 長期秸稈還田對土壤易氧化有機碳含量的影響

由圖4可知，1992—2015年的24 a，ROOC含量先減少后緩慢增加且趨向新的動態(tài)平衡，ROOC對有機碳響應較靈敏，可指示有機碳短期內(nèi)變化，CK處理在試驗開始后很快達到平衡，而SC，SM處理則在相對長的時間后達到一個高于CK的新平衡，但隨產(chǎn)量要求提高，有趨向CK處理的趨勢。到2015年，CM處理比試驗前降低14.32%，而其他處理降低32.72%～38.86%；CM處理比CK高40.13%。

由圖5可知，在土壤剖面上，僅在0～20 cm土層，CM處理對ROOC含量影響顯著，且SM，SC處理與CK處理對ROOC含量影響差異并不顯著，說明從長期試驗得出，秸稈過腹還田對土壤易氧化有機碳有顯著積極影響。

2.3 長期秸稈還田對土壤碳庫管理指數(shù)的影響

由表3可知，與1992年相比，所有處理CPI均有所降低，秸稈還田處理及CK處理均與試驗前差異顯著，但CM與SM處理間差異不顯著，均高于SC處理，而SC處理顯著高于CK處理；對于碳庫活度（A）和活度指數(shù)（AI），CM和SC處理與試驗前無顯著差異，但均顯著高于CK處理；對于碳庫管理指數(shù)（CPMI1），CM處理與試驗前差異不顯著，但顯著高于其他處理；CM處理的（CPMI2）值顯著高于其他處理，且比CK高62.33%。說明CM處理對于有機碳含量維持、活性有機碳轉(zhuǎn)化、碳庫固存、有機碳的循環(huán)與轉(zhuǎn)化有積極影響，是一種健康的農(nóng)田管理措施，于建光等[15-16]研究也得出了相似的結(jié)論。

表3 2015年不同處理下土壤碳庫指數(shù)、碳庫活度、活度指數(shù)、碳庫管理指數(shù)

2.4 長期秸稈還田條件下土壤有機碳含量、易氧 化有機碳含量與碳庫管理指數(shù)的相關(guān)性分析

表4 土壤有機碳含量、易氧化有機碳含量與碳庫管理指數(shù)的相關(guān)系數(shù)

由表4可知，在秸稈還田處理中，TOC含量基本上僅與相應土層的ROOC含量顯著正相關(guān)。在0～20 cm，ROOC含量與CPMI呈極顯著正相關(guān)；在20～40，40～60 cm，ROOC含量對CPMI無顯著影響。說明秸稈還田對CPMI的影響主要在0～20 cm土層，且土壤總有機碳含量對碳庫管理指數(shù)的影響很小，易氧化有機碳含量對其影響顯著。

3 討論與結(jié)論

3.1 秸稈還田對土壤有機碳及易氧化有機碳含量的影響

本研究結(jié)果表明，秸稈還田對TOC，ROOC含量的影響主要表現(xiàn)為先降低然后向一個新的平衡移動，秸稈過腹還田處理的TOC與ROOC含量均顯著高于秸稈不還田處理，但是對TOC含量的影響秸稈還田處理間差異不顯著，對ROOC含量的影響秸稈過腹還田處理顯著高于秸稈粉碎還田和秸稈覆蓋還田處理；差異主要發(fā)生在0～20 cm土層。農(nóng)田TOC數(shù)量決定于農(nóng)田有機物料的輸入與降解的平衡[15]，土壤有機碳的輸入主要是來自作物的分泌物、殘留在土壤中的根茬、枯枝落葉以及每年施入土壤中的有機肥料[13，17]。作物秸稈本身含有豐富的有機質(zhì)，施入土壤后有利于土壤碳積累。由于本試驗地土壤有機碳在試驗前含量較高，且種植農(nóng)作物對于產(chǎn)量的要求而施用化肥，使得土壤有機碳入不敷出而下降，故試驗進行中TOC與ROOC含量均下降?？赡苁怯捎谠囼炘O定的秸稈還田量較低而不能滿足生產(chǎn)需求，使得TOC與ROOC含量在長期秸稈還田處理后仍未達到或超過試驗前水平，但是這一設想需在后續(xù)的還田秸稈有機碳的測量與計算以及持續(xù)的試驗中去驗證。但是在1996年后ROOC含量開始增加，TOC含量在2006年后也開始顯著增加，表明當秸稈進入土壤后，微生物活性增強，有機物的分解轉(zhuǎn)化相應增強，有利于有機物轉(zhuǎn)化固定[18]。由于土壤本身的性質(zhì)、氣候環(huán)境等自然屬性與所種作物的特性，根系主要在0～20 cm土層，所以土壤有機碳早期變化主要發(fā)生在0～20 cm土層中，20～60 cm的TOC含量與ROOC含量的相關(guān)性變化特征仍需在后續(xù)的試驗中進一步總結(jié)探討。

3.2 秸稈還田對土壤有機碳庫的影響

本研究結(jié)果表明，在0～60 cm土層，有機碳儲量為試驗前＞秸稈過腹還田＞秸稈粉碎還田和覆蓋還田＞秸稈不還田處理，說明秸稈過腹還田方式最有利于有機碳的積累，另外2種還田方式間差異不顯著，但都顯著高于秸稈不還田的處理。秸稈還田增加了有機質(zhì)的輸入，對有機碳固存有重要意義。有機碳固定速率和碳庫管理指數(shù)對秸稈還田的響應一致，3種還田方式均對其有顯著的積極影響，但對有機碳固定速率3種還田方式之間沒有顯著差異；而對于碳庫管理指數(shù)，秸稈過腹還田處理顯著優(yōu)于其他2種秸稈還田處理。隨著人為因素對農(nóng)田土壤與農(nóng)田微壞境的擾動，農(nóng)田土壤的CPMI會降低，土壤性質(zhì)向不良方向發(fā)展，但是通過秸稈還田處理使得土壤肥力的降低被減緩。因為秸稈還田后改善了土壤的基本理化性狀，秸稈還田量達到一定值時，對減少土壤水分的蒸發(fā)有利，也更利于養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化和吸收[19]；秸稈腐殖化，增強了微生物活性，養(yǎng)分進入土壤活性碳庫，有助于土壤活性碳庫的積累，使土壤向良性方向發(fā)展，減少有機碳的釋放，提高土壤保墑保肥能力。

3.3 秸稈還田方式的綜合評價

秸稈還田是一種既環(huán)保又高產(chǎn)高效的生產(chǎn)模式，但是秸稈還田方式的選擇仍存在一定的難度。本試驗結(jié)果表明，3種秸稈還田方式均有利于土壤的良性發(fā)展，但均有一些優(yōu)缺點：秸稈過腹還田是一項最優(yōu)的土壤碳庫管理方式，但其與當?shù)氐男竽翗I(yè)發(fā)展關(guān)系密切且運輸成本高；而秸稈粉碎還田與秸稈覆蓋還田均是直接還田，可節(jié)省人力物力、方便快捷、成本低，但是秸稈粉碎還田的營養(yǎng)效果不佳，植物不易吸收，而覆蓋還田易造成植物病蟲害發(fā)生[20-21]。所以，為尋求一種方便可行、成本低、肥效高的秸稈還田措施，仍需對現(xiàn)有的秸稈還田試驗加以改進后進行大田試驗，以期更好地服務于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

綜上所述，秸稈還田是一項很好的農(nóng)田管理措施，對有機碳的積累固定、減少碳釋放、提高土壤質(zhì)量、培肥土壤均具有重要意義。

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Variation Characteristics of Readily Oxidizable Organic Carbon and Soil Organic Carbon
Pools under Straw Returning Modes in Cinnamon Soil

SHI Kangjie1，ZHOUHuaiping2，XIE Wenyan2，YANGZhenxing2，CHENGMan2
（1.College ofBiological Engineering，Shanxi University，Taiyuan 030006，China；2.Institute ofAgricultural Environment＆Resources，Shanxi AcademyofAgricultural Sciences，Taiyuan 030031，China）

The study on soil total organic carbon（TOC）content,soil total carbon storage（TOCs）and sequestration rate（DTOC）, readily oxidizable organic carbon（ROOC）content and carbon pool management index（CPMI）under long-term strawreturning modes in cinnamon soil will provide theoretical basis for evaluation of soil quality,scientific application of fertilization and improving soil fertility. The study was based on the long-term straw returning modes experiment of cinnamon soil in Shouyang county,Shanxi province.Soil samples were collected from four treatments:no strawreturning（CK）,strawmulching（SM）,strawcrushing（SC）and cattle manure（CM）.The change of organic carbon pool was determined by measuring TOC and ROOC.The results showed that in 0-20 cm,TOC contents and ROOCcontents were influenced significantlyunder the strawreturningtreatments,and achieved a newbalance after the first decreases with time.It was the most advantageous to TOCs of maintaining which of CM.SMand SC also had a significant positive effect on TOCs.But DTOCwas released,and released rate ofCK treatment was more 80.99%-35.57%than strawreturningtreatments.The CM treatments was more 62.33%than CK treatment for CPMI.In conclusion,straw returning treatments can significantly affect the soil organic carbon sequestration,reduce the release of organic carbon,make soil properties to benign development,improve soil fertility and protect the environment.

long-term straw returning;soil total carbon storage;carbon pool management index;carbon sequestration rate;soil total organic carbon;readilyoxidizable organic carbon

S141.4

：A

：1002-2481（2017）01-0083-06

10.3969/j.issn.1002-2481.2017.01.22

2016-08-16

農(nóng)業(yè)部公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項（201203030-08-03）；山西省科技攻關(guān)項目（20150311016-1）

史康婕（1990-），女，山西陽泉人，在讀碩士，研究方向：旱作水肥資源可持續(xù)利用。周懷平為通信作者。